CN102395894A

CN102395894A - 光伏发电装置的故障诊断方法

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Publication number: CN102395894A
Application number: CN2010800167902A
Authority: CN
Inventors: N·尚特勒伊; F·巴吕埃尔; A·拉布吕尼
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2009-04-17
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: US9252703B2; AU2010237246B2; CN102395894B; WO2010118952A1; ZA201107014B; KR20120027181A; FR2944647A1; AU2010237246A1; EP2419749B1; BRPI1014656A2; FR2944647B1; US20120062265A1; ES2708572T3; JP2012524392A; EP2419749A1

Abstract

光伏发电装置用的诊断方法，其特征在于，其执行在光伏发电装置在从短路工作方式转换到开路方式或相反地从开路工作方式转换到短路方式时观察其电压变化的步骤。

Description

光伏发电装置的故障诊断方法

技术领域

本发明涉及用于光电器件的可检测其故障的诊断方法。本发明特别适于使光伏发电装置的发电最佳化。本发明还涉及使用这种方法的光电器件。

背景技术

利用间歇性能源产生能量的装置，如光伏发电装置，越来越得到广泛使用。这些装置的发电成本取决于其电力续供时间及其诊断其故障的能力，如果可能，是实时诊断故障的能力。现有的装置不是设计用于在发生故障时、甚至在其发电量变得异常低时进行快速反应。因此，这些装置需要复杂的、成本高的技术维护操作。

光电器件的传统管理在于观察在与这些光电器件连接的***处的其状态，例如，通过测量与器件连接的电池的电荷或通过测量与器件连接的电网上所获得的发电量。在低于期望值的测量结果的情况下，则确定为光电器件发生故障。这种传统管理的缺陷是不准确。实际上，这种管理不能在由阴蔽或特殊气象条件引起的正常的发电量下降与器件的实际故障之间进行区分。此外，其不能区分器件的不同故障如：例如由于器件中电子元件组装工艺的缺陷或器件中产生电弧而引发的配线电阻的增大，或者例如由于脱层或腐蚀、阴蔽或污垢而出现的光伏发电装置前面板的损坏。

文献WO 2008112080述及一种解决方案，其在于：将在光电模块处测得的值与正常工作情况下的预存储值加以比较，以便检测故障。这种解决方案使用繁杂，不令人满意，因为其需要大量数据。为此，必须配置大量传感器以进行大量测量，必须进行长时间处理以使这些测量结果与记录的数据比较。

发明内容

因此，本发明的总目的是提出光电器件用的诊断方案，其没有现有技术的解决方案的缺陷。

更确切的说，本发明力求达到全部或部分下述目的：

本发明的第一个目的是提出允许可靠准确地检测光电器件故障的光电器件用的诊断方案。

本发明的第二个目的是提出允许远距离和实时检测故障的光电器件用的诊断方案。

本发明的第三个目的是提出允许简单和经济地检测故障的光电器件用的诊断方案。

为此，本发明基于光伏发电装置用的诊断方法，其特征在于，其执行这样的步骤：在光伏发电装置从短路工作方式转换到开路方式或相反地从开路工作方式转换到短路方式的期间，观察其电压随时间的变化。

为此，所述诊断方法还可包括在非故障状态下所述光伏发电装置从短路工作方式转换到开路方式时测量达到最大电压U_CO所需的正常时间的步骤，和/或还包括测量最大电压U_CO的步骤。

测量最大电压U_CO的步骤可在光伏发电装置从正常工作方式转换到开路方式之后进行。

所述诊断方法可包括在光伏发电装置从短路工作方式转换到开路方式时测量达到最大电压U_CO的预定百分比所需的时间的步骤、以及使该时间与在处于非故障的工作状态的光伏发电装置的情况下所需的正常时间进行比较的步骤，如果该时间超过预定的阈值，那么，光伏发电装置视为有故障。

所述诊断方法可包括当光伏发电装置从短路工作方式转换到开路方式时测量在预定时间之后在光伏发电装置端子的电压U的步骤、以及使该电压与在处于非故障的工作状态的光伏发电装置的情况下所达到的正常电压进行比较的步骤，如果该电压低于预定的阈值，那么，光伏发电装置视为有故障。

为此，所述诊断方法可包括以下附加步骤：

-断开第一开关(英文switch)，以获得光伏发电装置从闭路位置到开路位置的转换，并使光伏发电装置与其负载断离；

-测量在光伏发电装置端子获得的稳定的最大电压；

-闭合第二开关，以使光伏发电装置置于短路，然后断开该第二开关以使光伏发电装置重置于开路；

-测量在预定时间之后获得的在光伏发电装置端子的电压，使测得的电压与最大电压比较，以确定光伏发电装置的有故障或无故障的状态；

-闭合第一开关，以使所述光伏发电装置重处在与其负载相连的其正常发电工况。

预定时间可为10^-7秒至10^-2秒之间，和/或最大电压U_CO的预定百分比可大于50％。

在诊断光伏发电装置的故障时，所述诊断方法可确定其电压U随电流I而变化的变化曲线U(I)。

根据本发明的第二实施方式，光伏发电装置用的诊断方法的特征在于，观察其电压U变化的步骤包括观察其电压U随电流I的变化U(I)。

所述方法可包括检测电压-电流强度曲线的曲折部分以从中推断故障数量和故障严重性的步骤。

光伏发电装置用的诊断方法可包括以下附加步骤：

-断开第一开关(英文switch)，以获得所述光伏发电装置从闭路位置到开路位置的转换，使该光伏发电装置与其负载断离；

-测量在光伏发电装置端子获得的稳定的最大电压U_CO；

-闭合第二开关，以使光伏发电装置置于短路，然后断开该第二开关，以使光伏发电装置重置于开路；

-测量在光伏发电装置端子的电压U和电流I，直至电压U达到最大电压U_CO，以获得曲线U(I)；

从短路工作方式转换到开路方式，或相反地从开路工作方式转换到短路方式，可通过逆变器进行。

本发明也涉及一光电器件，其具有一包括多个光伏电池的光伏发电装置，其特征在于，其具有至少两个开关，用以允许光伏发电装置的至少一个光伏电池从短路工作方式转换到开路方式，或相反地从开路工作方式转换到短路方式；并且，其具有实施如前所述的光伏发电装置用的诊断方法的微型控制器或CPU。

第一开关可适于使光伏发电装置连接或不连接于外部负载如电池或电网，所述至少一个第二开关可并联在光伏发电装置的至少一个光伏电池上。

微型控制器或CPU可以是适于使光电器件连接于电网的逆变器的微型控制器或CPU，或者微型控制器或CPU可集成在布置于光伏发电装置处的箱体中。

附图说明

在参照附图对作为非限制性实施例给出的特殊实施方式的下述说明中，本发明的这些目的、特征和优越性将得到详细阐述，附图如下：

图1示意地示出相应于光伏电池的电路。

图2示出在不同的光伏电池的端子获得的电压-电流强度曲线。

图3示意地示出串联的两个光伏电池的电路，其中一个光伏电池是有故障的。

图4和5分别示出基于在正常的和有故障的光伏发电装置的端子处的电压随时间而变化的变化曲线来诊断光伏发电装置的两种不同诊断方法。

图6示出根据不同的情况在光伏发电装置的端子处获得的电压-电流强度曲线图。

图7示出根据本发明的一实施方式的光电器件。

图8示出为诊断根据本发明的实施方式的光电器件而应用的电路。

具体实施方式

本发明基于分析光伏发电装置从短路工作方式转换到开路工作方式或相反地从开路工作方式转换到短路工作方式时该光伏发电装置的电压变化。这种变化可在变换方式时通过对表示在光伏发电装置处电流强度随电压变化的曲线的分析或者通过电压随时间变化的曲线观察到。

光伏电池按如图1中示意地示出的电路工作。该光伏电池在其输出端子AB上提供电流I和电压U。

图2示出在不同光伏电池的端子获得的电流强度I随电压U变化的曲线。曲线1和2示出处于正常工作即无故障的光伏电池的情况。曲线3示出接收不足或为零的辐照的光伏电池、即有故障光伏电池的情况。在一具有多个所述光伏电池的光伏发电装置所供给的电流提高到一数值I_PV的情况下，处于正常工作位置的这些光伏电池将在其端子具有正电压U1、U2，而有故障的光伏电池具有负电压U3。

图3示意地示出一个在正常工作中的光伏电池与一个有故障的光伏电池串联布置的电路表示，有故障的光伏电池的电压U′与处于正常工作状态的光伏电池的电压U相反。在有故障的光伏电池中，其电容C’为负充电，其反向电压可达到光伏电池的额定电压值的多于20倍，其最大电流小于另一光伏电池的最大电流。在与这种有故障的光伏电池连接的电路断开的情况下，要达到正额定值，有故障的光伏电池的电压比正常光伏电池的电压要花长得多的时间。该时间可约长达20至100倍。

因此，本发明的设计利用前述现象，以根据光伏发电装置在从短路方式转换到开路方式时的反应对其工作情况进行诊断。

图4和图5示出光伏发电装置分别在正常工作的情况下和在故障工作的情况下从短路转换到开路时在该光伏发电装置端子处的电压U随时间t变化的变化曲线15、16。正常曲线15表明，电压U最终向最大电压U_CO会聚。曲线16表明，有故障的光伏发电装置的电压增加要慢得多。

因此，如图4所示的诊断光伏发电装置状态的第一种方法在于：观察达到表示最大电压U_CO的预定百分比例如95％的电压Uf所需的时间。在正常工作的光伏发电装置的情况下，在正常时间tn之后达到最终的预定值Uf。在有故障的光伏发电装置的情况下，在更长的时间td之后达到最终的预定值Uf。因此，时间td和tn的比较可诊断光伏发电装置的状态。

如图5所示的第二种方法在于测量对于预定时间tf所获得的电压。在正常工作中的光伏发电装置的情况下，在时间tf之后达到正常值Un。在有故障的光伏发电装置的情况下，在时间tf后，达到较小的最终值Ud。因此，电压Un和Ud的比较可诊断光伏发电装置的状态。

图6示出分别在光伏发电装置从短路工况转换到开路工况时根据三种不同情况获得的三条U(I)曲线4、5、6。每条U(I)曲线是组成光伏发电装置的每个光伏电池的U(I)曲线之和。对于从开路工况到短路工况的转换，获得对等的曲线。

曲线4示出其中所有光伏电池都在良好工作状态的一光伏发电装置。在电路断开时，电流强度将达到零值，而电压将在较短的时间之后达到最大值U_CO。曲线5示出在具有至少一个有故障的光伏电池的一光伏发电装置的情况下所获得的相同曲线。该曲线具有一个曲折部分(décrochement)7，在该曲折部分中，电流强度下降得更快而电压增大很小。曲线6示出另一例子，在该例子中，该曲线具有两个曲折部分8、9，这两个曲折部分指示存在至少两个有故障的光伏电池。在所有这些情况下，最终都达到相同的电压值U_CO，但是，如上所述，对于具有至少一个有故障的光伏电池来说，在曲线5、6的情况下则要在长得多的时间后才达到该相同的电压值。这些例子可说明多种情况，且教导U(I)曲线允许获得下述的诊断：

-在器件中出现与曲折部分7、8、9同样多数量的故障；

-曲折部分越大，故障越大。

前述说明将被应用在配有可诊断光电器件工作的装置的光电器件的实施方式中，如图7所示。

图7的光电器件具有一光伏发电装置10，该光伏发电装置可具有一个或多个光伏电池，其通过一逆变器11由一连线12连接于电网。该逆变器由微型控制器或CPU(中央处理机)13控制，微型控制器或CPU 13的主要功能是确定光伏发电装置10的工作点及其与电网12的连接。为此，微型控制器或中央处理机与电压升高管理模块14、直流-直流变换器15、和上电网管理模块16相接触。为实现其功能，CPU 13定期控制以下测量：

-直流板提供的电压和电流；

-直流侧绝缘测量；

-电网存在的测量；

-引入到交流电网上的电流和电压。

根据本发明，光电器件还具有集成在上述逆变器11中的诊断装置，其CPU实施光伏发电装置用的、尤其是检测故障的诊断方法，这将在下面说明。诊断装置相应于图8所示的电路图。逆变器的CPU 13接收光伏发电装置10的电流I和电压V的测量结果，控制两个开关T1、T2。在发电正常运行的情况下，开关T2闭合而开关T1断开。在变型中，可使用其它装置，尤其是基于至少一个开关的装置。在变型中，诊断装置可集成在与逆变器分开的其它任何箱体中，所述箱体如一例如定位在至少一个光伏电池处的箱体。根据一实施变型，这种箱体可具有其它功能，如光伏发电装置中电弧检测的功能。因此，本发明的方法由安装在一微型控制器或任何载体上的软件执行，然后其被集成于光电器件，基于与对所述开关的控制同步的测量结果的接收运行。

这种装置可允许实施根据第一实施方式的对其进行诊断的方法，该方法具有以下步骤：

-断开开关T2，以获得光伏发电装置从闭路方式到开路方式的转换；

-当电流强度为零时，测量在一定时间(稳定时间)之后于光伏发电装置端子处获得的稳定的最大电压U_CO；

-闭合开关T1以使光伏发电装置置于短路，然后断开开关T1以使光伏发电装置重置于开路；

-测量在预定时间t之后获得的在光伏发电装置端子的电压U。在该实施方式中，t选择成等于15微秒。相对接近为达到稳定的最大电压U_CO的预定百分比而在无故障工作情况下的光伏发电装置所需的时间的任何数值可以是适合的，该时间或者是测得的，或者是估算出的。因此，预定时间t足够大以使电压接近光伏发电装置的最大电压U_CO，至少对于无故障的光伏发电装置来说是如此。因此，一般来说，对于该预定时间，可选择在10-7秒至10^-2秒之间的数值；

-使测得的电压U与最大电压U_CO的预定百分比进行比较：

-如果测得的电压U达到最大电压U_CO的某一预定百分比，那么，光伏发电装置就被视为正常工作，开关T2闭合以使光伏发电装置处于其正常发电工况。在该实施方式中，预定百分比固定在95％。预定百分比可采用其它数值，因为其取决于预定时间t，例如，可采用优选大于50％的其它任意数值；

-如果测得的电压U达不到最大电压U_CO的预定百分比，那么，光伏发电装置被视为有故障。

根据本发明的另一实施方式，可观察在器件从短路工作方式转换到开路方式期间确定的电压-电流强度曲线U(I)。为此，进行以下步骤：

-闭合开关T1，以使光伏发电装置重置于短路，然后，断开开关T1，以使光伏发电装置重置于开路；

-根据预定频率f_acq测量多个电压点和电流点，该频率有利地在100千赫(kHz)至1兆赫(MHz)之间；

-当电压达到数值U_CO时，此时开关T2闭合，以使光伏发电装置重处于其正常发电工况；

-测量点由光电器件的CPU 13传输和分析，这因而可推断故障数量和损坏严重性。

根据可逆方式的另一实施变型，仅改变第一步骤；开关T1首先断开然后闭合，以便产生从开路向短路的转换。

在变型中，前述两种实施方式可兼合。例如，在检测到故障的情况下，第一实施方式后可跟随有对U(I)曲线的变化的观察和确定，以便从中推断关于器件故障的补充信息，其中所述第一实施方式基于对当其从短路工作方式转换到开路工作方式时电压随时间而变化的分析。

根据本发明的一有利的实施方式，实施诊断所需的时间少得足以在逆变器11未完全停止工作的情况下允许其执行，在相反情况下，逆变器则会需要可能达数分钟的较长时间，以重新产生其最大功率。为此，应当指出，逆变器具有一电容式总线(bus capacitif)，以允许贮存对应于至少一毫秒引入到电网上的电能。为使在转换到开路时光伏发电装置的电压达到其最大值所需的时间，取决于光伏发电装置10的电流和等效电容。应当指出，该时间根据光伏电池的辐照及固有特性较小变化。因此，通过选用快速功率晶体管、例如微秒数量级的快速转换部件T1、T2、和/或适当的测量部件，可在少于1毫秒时间内实施诊断，这允许不使逆变器停止工作和不影响发电。诊断方法周期性地进行，因此可实时检测器件。

光电器件用的诊断方法已经根据本发明的第一实施方式作为实施例予以述及。显然，可以有其它变型，这些变型基于在开路情况下在光伏发电装置的端子达到最大电压U_CO所需的时间的变化。该最大电压不必在每次实施诊断方法时进行测量，但是，当光伏发电装置是新的、处于无故障正常工作时，该最大电压可以例如仅一次被测量和存储起来。同样，达到该值所需的时间可同时测得，和进行存储以用作诊断步骤的基础。

因此，光伏发电装置的诊断方法的第一实施方式的一可能变型可在于：在光伏发电装置转换为开路时***地等待电压达到最大电压，测量所需的时间，和将该时间与良好运行下的正常时间进行比较。如果该时间超过预定百分比的正常时间，那么，光伏发电装置就被视为是有故障的。

诊断方法已经基于对应于图8所示的电路图的诊断装置加以说明。根据一有利变型，可通过使用光电逆变器的输入结构来进行诊断。通常，这些逆变器使用功率电子部件，其或串联，或并联，或串联与并联，可允许分离“光电逆变器”仪器的逆变器部分(直流/交流变频级)与斩波器部分(直流/直流变频级)，和/或允许实现直流/直流变换功能。这些部件可进行在输入端连接的光伏发电装置从短路到开路的转换，可因而允许进行诊断。因此，这种功能性可方便地和主要地借助于对现有逆变器的软件适配加以实施。

因此，本发明达到了所述目的，可快速精确诊断光伏发电装置，尤其可在发电量下降时确定所述下降是源自于光伏发电装置的故障还是与有故障的线路布置或电子元件组装工艺有关。因此，技术维护人员可快速准确地被告知故障情况。

Claims

1.光伏发电装置用的诊断方法，其特征在于，所述诊断方法执行这样的步骤：在所述光伏发电装置从短路工作方式转换到开路方式或者相反地从开路工作方式转换到短路方式期间观察该光伏发电装置的电压(U)随时间的变化。

2.根据权利要求1所述的光伏发电装置用的诊断方法，其特征在于，所述诊断方法还包括这样的步骤：在非故障状态下所述光伏发电装置从短路工作方式转换到开路方式时测量达到最大电压(U_CO)所需的正常时间；和/或其特征在于，所述诊断方法还包括测量最大电压(U_CO)的步骤。

3.根据权利要求2所述的光伏发电装置用的诊断方法，其特征在于，所述的测量最大电压(U_CO)的步骤在所述光伏发电装置从正常工作方式转换到开路方式后进行。

4.根据前述权利要求中任一项所述的光伏发电装置用的诊断方法，其特征在于，所述诊断方法包括在所述光伏发电装置从短路工作方式转换到开路方式时测量达到所述最大电压(U_CO)的预定百分比所需的时间的步骤、和将该时间与在所述光伏发电装置处于非故障的工作状态情况下所需的正常时间进行比较的步骤，如果该时间超过预定阈值，则所述光伏发电装置被视为是有故障的。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的光伏发电装置用的诊断方法，其特征在于，所述诊断方法包括当所述光伏发电装置从短路工作方式转换到开路方式时测量在预定时间之后在该光伏发电装置的端子的电压(U)的步骤、和将该电压与在所述光伏发电装置处于非故障的工作状态情况下所达到的正常电压进行比较的步骤，如果该电压低于预定阈值，则所述光伏发电装置被视为是有故障的。

6.根据权利要求5所述的光伏发电装置用的诊断方法，其特征在于，所述诊断方法包括以下附加步骤：

-断开第一开关(T2)，以获得所述光伏发电装置从闭路位置到开路位置的转换，使该光伏发电装置与其负载断离；

-测量在所述光伏发电装置的端子获得的稳定的最大电压(U_CO)；

-闭合第二开关(T1)以使所述光伏发电装置置于短路，然后断开该第二开关(T1)以使所述光伏发电装置重置于开路；

-测量在预定时间(t)之后获得的在所述光伏发电装置的端子的电压(U)，和将测得的电压(U)与所述最大电压(U_CO)比较，以确定所述光伏发电装置的有故障或无故障的状态；

-闭合所述第一开关(T2)，以使所述光伏发电装置重处在与其负载相连的其正常发电工况。

7.根据权利要求5或6所述的光伏发电装置用的诊断方法，其特征在于，所述预定时间介于10^-7秒至10^-2秒之间；和/或其特征在于，所述最大电压(U_CO)的预定百分比大于50％。

8.根据前述权利要求中任一项所述的光伏发电装置用的诊断方法，其特征在于，在诊断所述光伏发电装置的故障的情况下，所述诊断方法确定该光伏发电装置的电压(U)随电流(I)而变化的变化曲线U(I)。

9.根据权利要求1所述的光伏发电装置用的诊断方法，其特征在于，观察所述光伏发电装置的电压(U)变化的步骤另外包括观察所述光伏发电装置的电压(U)随电流(I)的变化U(I)。

10.根据权利要求9所述的光伏发电装置用的诊断方法，其特征在于，所述诊断方法包括检测电压-电流强度曲线的曲折部分(7，8，9)以从中推断故障数量和故障严重性的步骤。

11.根据权利要求10所述的光伏发电装置用的诊断方法，其特征在于，所述诊断方法包括以下附加步骤：

-测量在所述光伏发电装置的端子的电压(U)和电流(I)，直至所述电压(U)达到所述最大电压(U_CO)，以获得曲线U(I)；

12.根据前述权利要求中任一项所述的光伏发电装置用的诊断方法，其特征在于，从短路工作方式到开路方式的转换或者相反地从开路工作方式到短路方式的转换通过逆变器(11)实现。

13.光电器件，其具有一包括多个光伏电池的光伏发电装置，其特征在于，其具有至少两个开关(T1；T2)，用以允许所述光伏发电装置的至少一个光伏电池从短路工作方式转换到开路方式，或相反地从开路工作方式转换到短路方式；并且，其具有实施根据前述权利要求中任一项所述的光伏发电装置用的诊断方法的微型控制器或CPU(13)。

14.根据权利要求13所述的光电器件，其特征在于，第一开关(T2)适于使所述光伏发电装置连接或不连接于外部负载如电池或电网；并且，至少一个第二开关(T1)并联在所述光伏发电装置的至少一个光伏电池上。

15.根据权利要求13或14所述的光电器件，其特征在于，所述的微型控制器或CPU(13)是适于使所述光电器件与电网连接的逆变器(11)的微型控制器或CPU；或者其特征在于，所述的微型控制器或CPU(13)集成在布置于所述光伏发电装置处的箱体中。